ILE Home Intuitionistic Logic Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  ILE Home  >  Th. List  >  bezout GIF version

Theorem bezout 10607
Description: Bézout's identity: For any integers 𝐴 and 𝐵, there are integers 𝑥, 𝑦 such that (𝐴 gcd 𝐵) = 𝐴 · 𝑥 + 𝐵 · 𝑦. This is Metamath 100 proof #60.

The proof is constructive, in the sense that it applies the Extended Euclidian Algorithm to constuct a number which can be shown to be (𝐴 gcd 𝐵) and which satisfies the rest of the theorem. In the presence of excluded middle, it is common to prove Bézout's identity by taking the smallest number which satisfies the Bézout condition, and showing it is the greatest common divisor. But we do not have the ability to show that number exists other than by providing a way to determine it. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Feb-2014.)

Assertion
Ref Expression
bezout ((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) → ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ (𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
Distinct variable groups:   𝑥,𝐴,𝑦   𝑥,𝐵,𝑦

Proof of Theorem bezout
Dummy variables 𝑑 𝑤 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 bezoutlembi 10601 . 2 ((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) → ∃𝑑 ∈ ℕ0 (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
2 simprrr 507 . . 3 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
3 nfv 1462 . . . . 5 𝑥(𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ)
4 nfv 1462 . . . . . 6 𝑥 𝑑 ∈ ℕ0
5 nfv 1462 . . . . . . 7 𝑥𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))
6 nfre1 2412 . . . . . . 7 𝑥𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))
75, 6nfan 1498 . . . . . 6 𝑥(∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
84, 7nfan 1498 . . . . 5 𝑥(𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
93, 8nfan 1498 . . . 4 𝑥((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))))
10 nfv 1462 . . . . . 6 𝑦(𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ)
11 nfv 1462 . . . . . . 7 𝑦 𝑑 ∈ ℕ0
12 nfv 1462 . . . . . . . 8 𝑦𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))
13 nfcv 2223 . . . . . . . . 9 𝑦
14 nfre1 2412 . . . . . . . . 9 𝑦𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))
1513, 14nfrexya 2410 . . . . . . . 8 𝑦𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))
1612, 15nfan 1498 . . . . . . 7 𝑦(∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
1711, 16nfan 1498 . . . . . 6 𝑦(𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
1810, 17nfan 1498 . . . . 5 𝑦((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))))
19 dfgcd3 10606 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) → (𝐴 gcd 𝐵) = (𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))))
2019adantr 270 . . . . . . 7 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (𝐴 gcd 𝐵) = (𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))))
21 simprrl 506 . . . . . . . 8 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → ∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)))
22 simprl 498 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → 𝑑 ∈ ℕ0)
23 simpll 496 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → 𝐴 ∈ ℤ)
24 simplr 497 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → 𝐵 ∈ ℤ)
2523, 24, 22, 21bezoutlemeu 10603 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → ∃!𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)))
26 breq2 3809 . . . . . . . . . . . 12 (𝑤 = 𝑑 → (𝑧𝑤𝑧𝑑))
2726bibi1d 231 . . . . . . . . . . 11 (𝑤 = 𝑑 → ((𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ↔ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))))
2827ralbidv 2373 . . . . . . . . . 10 (𝑤 = 𝑑 → (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ↔ ∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))))
2928riota2 5541 . . . . . . . . 9 ((𝑑 ∈ ℕ0 ∧ ∃!𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))) → (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ↔ (𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))) = 𝑑))
3022, 25, 29syl2anc 403 . . . . . . . 8 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ↔ (𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))) = 𝑑))
3121, 30mpbid 145 . . . . . . 7 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (𝑤 ∈ ℕ0𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑤 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵))) = 𝑑)
3220, 31eqtrd 2115 . . . . . 6 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (𝐴 gcd 𝐵) = 𝑑)
3332eqeq1d 2091 . . . . 5 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → ((𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)) ↔ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
3418, 33rexbid 2372 . . . 4 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (∃𝑦 ∈ ℤ (𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)) ↔ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
359, 34rexbid 2372 . . 3 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → (∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ (𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))
362, 35mpbird 165 . 2 (((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) ∧ (𝑑 ∈ ℕ0 ∧ (∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧𝑑 ↔ (𝑧𝐴𝑧𝐵)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ 𝑑 = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦))))) → ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ (𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
371, 36rexlimddv 2486 1 ((𝐴 ∈ ℤ ∧ 𝐵 ∈ ℤ) → ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ (𝐴 gcd 𝐵) = ((𝐴 · 𝑥) + (𝐵 · 𝑦)))
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:  wi 4  wa 102  wb 103   = wceq 1285  wcel 1434  wral 2353  wrex 2354  ∃!wreu 2355   class class class wbr 3805  crio 5518  (class class class)co 5563   + caddc 7098   · cmul 7100  0cn0 8407  cz 8484  cdvds 10403   gcd cgcd 10545
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-mp 7  ax-ia1 104  ax-ia2 105  ax-ia3 106  ax-in1 577  ax-in2 578  ax-io 663  ax-5 1377  ax-7 1378  ax-gen 1379  ax-ie1 1423  ax-ie2 1424  ax-8 1436  ax-10 1437  ax-11 1438  ax-i12 1439  ax-bndl 1440  ax-4 1441  ax-13 1445  ax-14 1446  ax-17 1460  ax-i9 1464  ax-ial 1468  ax-i5r 1469  ax-ext 2065  ax-coll 3913  ax-sep 3916  ax-nul 3924  ax-pow 3968  ax-pr 3992  ax-un 4216  ax-setind 4308  ax-iinf 4357  ax-cnex 7181  ax-resscn 7182  ax-1cn 7183  ax-1re 7184  ax-icn 7185  ax-addcl 7186  ax-addrcl 7187  ax-mulcl 7188  ax-mulrcl 7189  ax-addcom 7190  ax-mulcom 7191  ax-addass 7192  ax-mulass 7193  ax-distr 7194  ax-i2m1 7195  ax-0lt1 7196  ax-1rid 7197  ax-0id 7198  ax-rnegex 7199  ax-precex 7200  ax-cnre 7201  ax-pre-ltirr 7202  ax-pre-ltwlin 7203  ax-pre-lttrn 7204  ax-pre-apti 7205  ax-pre-ltadd 7206  ax-pre-mulgt0 7207  ax-pre-mulext 7208  ax-arch 7209  ax-caucvg 7210
This theorem depends on definitions:  df-bi 115  df-dc 777  df-3or 921  df-3an 922  df-tru 1288  df-fal 1291  df-nf 1391  df-sb 1688  df-eu 1946  df-mo 1947  df-clab 2070  df-cleq 2076  df-clel 2079  df-nfc 2212  df-ne 2250  df-nel 2345  df-ral 2358  df-rex 2359  df-reu 2360  df-rmo 2361  df-rab 2362  df-v 2612  df-sbc 2825  df-csb 2918  df-dif 2984  df-un 2986  df-in 2988  df-ss 2995  df-nul 3268  df-if 3369  df-pw 3402  df-sn 3422  df-pr 3423  df-op 3425  df-uni 3622  df-int 3657  df-iun 3700  df-br 3806  df-opab 3860  df-mpt 3861  df-tr 3896  df-id 4076  df-po 4079  df-iso 4080  df-iord 4149  df-on 4151  df-ilim 4152  df-suc 4154  df-iom 4360  df-xp 4397  df-rel 4398  df-cnv 4399  df-co 4400  df-dm 4401  df-rn 4402  df-res 4403  df-ima 4404  df-iota 4917  df-fun 4954  df-fn 4955  df-f 4956  df-f1 4957  df-fo 4958  df-f1o 4959  df-fv 4960  df-riota 5519  df-ov 5566  df-oprab 5567  df-mpt2 5568  df-1st 5818  df-2nd 5819  df-recs 5974  df-frec 6060  df-sup 6491  df-pnf 7269  df-mnf 7270  df-xr 7271  df-ltxr 7272  df-le 7273  df-sub 7400  df-neg 7401  df-reap 7794  df-ap 7801  df-div 7880  df-inn 8159  df-2 8217  df-3 8218  df-4 8219  df-n0 8408  df-z 8485  df-uz 8753  df-q 8838  df-rp 8868  df-fz 9158  df-fzo 9282  df-fl 9404  df-mod 9457  df-iseq 9574  df-iexp 9625  df-cj 9930  df-re 9931  df-im 9932  df-rsqrt 10085  df-abs 10086  df-dvds 10404  df-gcd 10546
This theorem is referenced by:  dvdsgcd  10608  dvdsmulgcd  10621  lcmgcdlem  10666  divgcdcoprm0  10690
  Copyright terms: Public domain W3C validator